2.3. Устойчивость обнажений пород

в горных выработках

Обнажениями пород в горизонтальных и наклонных выработках являются их кровля, почва и бока, а в вертикальных – стенки.

Зоны, в которых происходит перераспределение напряжений после проведения выработок, могут иметь различное очертание, которое зависит от физико-механических свойств пород, характера их залегания, глубины и геометрии выработки. Напряжения в этих зонах могут превзойти предел прочности пород, вследствие чего происходит их разрушение. Для этих зон характерно постепенное уменьшение степени их разрушения и увеличение напряжений в направлении от контура выработки в глубь массива. Эти зоны называют областями пониженных напряжений (по П.М.Цимбаревичу), или областями неупругих деформаций (по К.В.Руппенейту). Вследствие образования области неупругих деформаций на ее границе происходит новое перераспределение напряжений. За ее пределами возникает область повышенных напряжений, которая дальше вверх переходит в область, в которой напряжения соответствуют первоначальным (рис.8). Таким образом, напряжения на контуре выработки практически равны нулю, а на границе области неупругих деформаций превышают первоначальные, свойственные нетронутому массиву.

Возможны следующие условия образования областей пониженных и повышенных деформаций:

1. Породы кровли выработки неустойчивы, а породы боков и подошвы устойчивы. В этом случае

 ;  ,

Рис.8. Области пониженных (1) и повышенных (2) напряжений вокруг

горизонтальной выработки в зависимости от места залегания неустойчивых пород:

а и б – в кровле; в – в кровле и боках; г – в кровле, боках и подошве

где и –коэффициенты концентрации соответственно растягивающих и сжимающих напряжений; и – пределы прочности пород соответственно при растяжении и сжатии.

2. Породы в кровле и боках выработки неустойчивые. Тогда

   ;    ,

и область неупругих деформаций распространяется как на кровлю, так и на бока выработки (рис.8, в).

3. Породы в кровле, боках и подошве выработки неустойчивые, и область неупругих деформаций распространяется во все стороны от выработки (рис.8, г).

2.4. Расчет горного давления

Гипотезами горного давления называют научно обоснованные предположения о его проявлении в массиве пород, главным образом, в зонах тех или иных горных выработок. Проблемами расчета горного давления для тех или иных горно-геологических и горно-технических условий занимались М.М.Протодьяконов, П.М.Цимба­ревич, В.Д.Слесарев, А.Н.Динник, А.Б.Моргоевский, С.Г.Лехницкий, Г.Н.Савин, А.Г.Протосеня, А.Н.Ставрогин, К.А.Ардашев, И.В.Бак­лашов, Б.А.Картозия, Н.С.Булычев, И.Л.Черняк, Г.Л.Фисенко, А.Лабасс, Р.Квапил и др.

Некоторые из предложенных гипотез обеспечили создание простых инженерных методов расчета, дающих приемлемые для практики решения отдельных задач горного давления.

В настоящее время широкое развитие получили теории горного давления, в основе которых лежат строгие методы механики сплошной среды, позволяющие решать задачи, связанные с проявлениями горного давления на более высоком уровне.



Рис.9. Расчетная схема определения

горного давления на кровлю горизонтальной выработки по гипотезе

Протодьяконова

Гипотеза Протодьяконова предполагает, что над выработкой образуется свод естественного равновесия АОВ (рис.9), и на крепь выработки давление оказывает лишь порода, находящаяся внутри этого свода. Свод должен находиться в равновесии, т.е. сумма моментов относительно любой точки (например, точки М) должна быть равна нулю.

Решая уравнение относительно y, получим уравнение параболы . Это уравнение в точке А приобретает вид:

.

При несвязных рыхлых породах устойчивость свода будет наибольшей при , где – полупролет свода, м; – коэффициент внутреннего трения.

Давление на крепь

.

Для крепких, скальных пород коэффициент внутреннего трения соответствует коэффициенту крепости пород.

В настоящее время для определения величины горного давления для конкретных горно-геологических условий пользуются рекомендациями СНиП 3.02.03-84 «Подземные горные выработки» 27, в которых учтены последние достижения в области механики горных пород.